Original title:
Analýza konstrukce turbínové skříně z hlediska úniku tepla
Translated title:
Analysis of the turbine housing design in terms of heat leakage
Authors:
Diakov, Jakub ; Lošák, Petr (referee) ; Vlach, Radek (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2022
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Tato diplomová práce se zabývá posouzením použitelnosti topologické optimalizace programu Ansys Workbench v kombinaci s termo-mechanickou únavou a nelineárním modelem materiálu turbínové skříně. V první části práce je provedena rešerše, která slouží k pochopení a teoretickému podložení praktické části. V rešeršní části je nejprve odůvodněn hlavní cíl práce, kterým je snížení úniku tepla z výfukových plynů, z důvodu dřívějšího zpracování spalin a nižší produkce emisí. V druhé kapitole rešerše je rozebrána konstrukce a funkce turbodmychadla z hlediska geometrie komponent, jejich výroby a použití. Následující kapitola se zabývá rozborem energetické a teplotní bilance turbodmychadla. V této kapitole jsou uvedena zásadní zjednodušení výpočetního problému, která jsou uplatněna v praktickém příkladu. V kapitole je dále rozebrána termo-mechanická únava, rozdělení oblastí únavy a přístupy pro predikci životnosti. Poslední kapitola rešeršní části se zabývá vybranými výpočetními oblastmi a jejich teoretickým základem. Je zde rozebrána analýza mechaniky tekutin a vybrané metody topologické optimalizace, které jsou dostupné ve zvoleném výpočetním programu. Na rešeršní část navazuje praktická část, ve které je řešen multifyzikální příklad optimalizace turbínové skříně z hlediska úniku tepla, která je vystavena termo-mechanické únavě. Praktická část, složená z několika kroků, vychází z analýzy proudění CFD, která je použita k získání teplotní podmínky pro výpočet transientní teplotní analýzy. Z vázané transientní teplotní analýzy je použito prostorové teplotní pole, které v důsledku roztažnosti materiálu způsobuje nehomogenní napjatost na turbínové skříni. Samostatná kapitola praktické části je věnována použitelnosti topologické optimalizace na odlišné typy úloh. Součástí této kapitoly je navržení metodiky pro stanovení napěťového omezení zvoleného typu topologické optimalizace. Předposlední kapitola v praktické části je věnována topologické optimalizaci turbínové skříně na základě předchozí deformačně napěťové analýzy a stanoveného omezení. V poslední kapitole je po úpravách geometrie provedena validace optimalizovaného tvaru skříně. Validace je provedena z hlediska ustálené teploty výstupních spalin, rychlosti ohřevu optimalizované geometrie a porovnání živostnosti z hlediska termo-mechanické únavy. Na konci práce jsou navrženy a diskutovány závěry, prostor pro zlepšení a možné navázání v dalším výzkumu.
This diploma thesis deals with the judgment of usability of the topology optimisation of the Ansys Workbench program combined with thermo-mechanical fatigue and the non-linear material model of a turbine housing. The first part of the thesis includes research which serves for the purpose of understanding and for theoretical support of the practical part. The research part of the thesis at first gives reasons for the choice of the main aim of the thesis. The main aim of the thesis is the decrease of heat leak from the exhaust fumes due to the reason of the sooner combustion products processing and lower emissions production. The second chapter of the research analyses the construction and function of a turbocharger from the perspective of the geometry of the components and also from the perspective of the production and use of the components. The following chapter deals with the analysis of the energetic and thermal balance of the turbocharger. This chapter mentions the fundamental simplifications of the calculation problem and these simplifications are applied in the practical example. Next, the chapter analyses the thermo-mechanical fatigue, classification of the areas of fatigue and it also analyses the approaches used for the life expectancy predictions. The chapter of the research part deals with the selected areas of calculation and their theoretical basis. The last chapter analyses the fluid mechanics and the selected methods of the topology optimisation which are available in the selected calculation program. After the research part of the thesis, there follows the practical part which discusses a multiphysical example of the turbine housing optimisation from the perspective of heat leak and of the turbine housing being exposed to the thermo-mechanical fatigue. The practical part which is composed of several steps is based on the CFD analysis and this analysis is used for the purpose of gaining thermal conditions in order to calculate the transient thermal analysis. Out of the outcomes of the coupled transient thermal analysis, there is used the spatial temperature field which as a result of the expansivity of the material causes non-homogenous stress on the turbine housing. The practical part has an individual chapter dedicated to the usability of the topological optimisation in different types of tasks. One of the parts of this chapter includes is a suggestion of the methodology for determination of voltage limitation for the selected type of topological optimisation. The penultimate chapter in the practical part is dedicated to the topological optimisation of the turbine housing on the basis of the preceding voltage analysis and determined limitation. The last chapter includes performed validation of the optimised shape of the housing after the geometry is adjusted. The validation is performed from the perspective of steady state temperature of the output combustion products, of speed of heating of the optimised geometry and from the perspective of the comparison of the life expectancy determined in the thermo-mechanical fatigue. At the end of thesis, there are included conclusions discussed and suggested, scope for improvement and possibilities for continuation of further research.
Keywords:
computational fluid dynamics; conjugate heat transfer; fatigue life prediction; finite element method; thermo-mechanical fatigue; topology optimization; Turbocharger; metoda konečných prvků; predikce únavové životnosti; sdružený přestup tepla; termo-mechanická únava; topologická optimalizace; Turbodmychadlo; výpočetní dynamika tekutin
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/205409
guest ::
